如今,復合材料在飛機上的應用已非常廣泛,復合材料在總材料中的比例逐步提高,成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標。相對之下,常規(guī)的金屬材料占比越來越小。本期飛機小課堂以兩大飛機制造商波音及空客的幾大機型為例,介紹現(xiàn)代民機中復合材料的運用及發(fā)展趨勢。
有分析人士認為,未來將是全復合材料結(jié)構(gòu)的時代,作為飛機常規(guī)材料的金屬反而會成為例外的那部分,地位降低許多。這樣的設想是否會成真不得而知,有待時間的驗證,不過我們可以清楚地看到,近年來大型民機在結(jié)構(gòu)選材方面,全金屬材料過渡到全復合材料是種明顯的趨勢。
美國貝奇飛機制造公司曾制造出世界上第一架全復合材料飛機。它使用了耐熱性能好的碳纖維層,中間夾有環(huán)氧化物。石墨和環(huán)氧化物的保護層包裹著一種蜂窩狀材料。這種復合結(jié)構(gòu)要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半,強度和耐熱性幾乎相同。
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我們來看看現(xiàn)今波音及空客幾大機型中,復合材料有哪些運用。首先來談波音787夢想飛機及波音747-8飛機。
波音787飛機:
波音787飛機主要由碳纖維復合材料制成。這種材料可像布料一樣剪裁,因此新的生產(chǎn)工序制造出的邊角余料和廢料減少了?,F(xiàn)有的飛機主要是鋁制的,必須銑削和切割掉大片或大塊材料來制造飛機結(jié)構(gòu)。被用來制造飛機零部件的原材料中,通常有90%在生產(chǎn)過程中成為了邊角余料。雖然這些材料可以再循環(huán),但盡可能避免浪費無疑是更好的辦法。787復合材料方案解決了這個效率問題。
波音787復合材料的使用
與波音777飛機相比,復合材料在波音787中的占比有很大提升,達到50%,遠超過鋁所占的20%。而波音777中復合材料約占12%,鋁占50%。
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以下為波音787材料應用中各主要成份的占比。
復合材料 – 50%
鋁 – 20%
鈦 – 15%
鋼 – 10%
其他 – 5%
其中一個使用復合材料替代鋁材減少零部件數(shù)量的例子,體現(xiàn)在第一個桶狀機身段上,1,500張鋁板共40,000–50,000個緊固件,緊固件減少了80%。(如圖)
整件復合材料桶狀構(gòu)造
波音747-8飛機:
再說波音747系列的新機型波音747-8,家族成員包括747-8洲際飛機和747-8貨機。這款新機型體現(xiàn)了很多新技術(shù),包括復合材料的使用。
與波音777飛機一樣,747-8飛機廣泛采用新一代鋁合金,同時,它還在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用石墨復合材料。
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747-8材料構(gòu)成 這些材料具有更卓越的耐用性與抗腐蝕性和抗損壞性,能減少維修,增加飛機的可用性和創(chuàng)收時間。質(zhì)量更輕的材料有助于減輕飛機重量。重量較輕的飛機其效率得以提高,油耗、維修成本、與重量相關的導航和起降費用降低。得益于此,747-8的重量將減輕907公斤(2,000磅)。
此外,另一飛機制造商空中客車公司也在復合材料方面不斷嘗試和努力??湛虯380飛機、A350 XWB飛機都有這一創(chuàng)新性傳統(tǒng)的體現(xiàn)。
空客A380飛機:
被叫做空中巨無霸的大型客機空客A380,約有25%由先進輕質(zhì)復合材料制造,其中22%為碳、玻璃或者石英纖維增強塑料,3%為GLARE(一種玻璃纖維―鋁層壓板)材料。
A380還采用了復合材料制成的中央翼盒,它是連接機翼與機身的非常重要的主體結(jié)構(gòu)。包括后壓力艙在內(nèi)的后機身也有復合材料的使用。
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除復合材料外,A380還大量采用了先進的合金材料,這些材料具有易于修理和維護的好處。每一種材料都根據(jù)不同部件預計將承受的負荷、壓力和損壞程度而進行優(yōu)化使用。
空客A350 XWB飛機:
對于另一款新型A350 XWB寬體飛機來說,復合材料的表現(xiàn)更加突出,所占比例甚至超過了50%!
它與相比同級別飛機結(jié)構(gòu)相比重量更輕,超過70%的減重是由于采用了53%的復合材料以及鈦合金、鋁合金等先進材料。A350 XWB寬體飛機的機身采用創(chuàng)新性的全新碳纖維增強型塑料,進一步減少了油耗,同時更易于維護。
早在2010年12月8日,空中客車公司就開始了首個A350XWB碳纖維結(jié)構(gòu)機身桶的生產(chǎn)。(如圖)
空中客車公司在其位于西班牙的Illescas工廠開始了首個A350XWB碳纖維結(jié)構(gòu)機身桶的生產(chǎn)?! ?
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2012年4月25日,用于對A350XWB寬體飛機進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)測試的飛機后端機身抵達總裝線,空客A350XWB后機身段長20米,采用的是碳纖維復合材料,由機身尾段和四塊后機身蒙皮組成。(如圖)
首個空客A350XWB寬體飛機后機身段運抵總裝線 將復合材料應用于飛機制造,需要遵循循序漸進的的方式。通過多年的實踐和經(jīng)驗積累,復合材料使用比例逐步提高,飛機各方面的性能也因此得以逐步提升。(星空)
來源: 新浪航空 www.cfrp.com.cn